Транзистор - это электронный компонент, способный управлять большим током в выходной цепи при помощи небольшого сигнала на входе. Транзисторы широко применяются в электронике для усиления, генерации, коммутации и преобразования электрических сигналов. Транзисторы также являются основой интегральных микросхем, которые содержат миллионы транзисторов на одном кристалле.
Транзисторы по структуре, принципу работы и характеристикам делятся на два основных класса: биполярные и полевые. В биполярном транзисторе используются полупроводники с двумя типами проводимости: p-типа и n-типа. В полевом транзисторе используется полупроводник только одного типа проводимости, а управление осуществляется электрическим полем затвора. Рассмотрим подробнее каждый из этих типов транзисторов.
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника: эмиттера, базы и коллектора. Эти слои могут быть расположены в разном порядке, но наиболее распространенным является порядок n-p-n или p-n-p. В первом случае эмиттер и коллектор имеют проводимость n-типа, а база - p-типа. Во втором случае наоборот. Эмиттер и коллектор подключаются к источнику питания, а база - к управляющему сигналу. Между эмиттером и базой, а также между базой и коллектором образуются p-n-переходы, которые имеют свойство пропускать ток только в одном направлении.
Принцип работы биполярного транзистора основан на том, что ток через коллектор зависит от тока через базу. Если ток через базу равен нулю, то ток через коллектор тоже равен нулю, так как оба p-n-перехода закрыты. Если ток через базу ненулевой, то переход между эмиттером и базой открывается, и через него начинают проходить носители заряда: электроны в случае n-p-n транзистора и дырки в случае p-n-p транзистора. Эти носители заряда диффундируют в базу, но большинство из них не успевают рекомбинировать с противоположными носителями, а переходят в коллектор, открывая второй p-n-переход.
Таким образом, ток через коллектор становится больше тока через базу в несколько раз. Это отношение называется коэффициентом усиления по току и обозначается буквой β. В среднем β равно 50-200 для биполярных транзисторов.
Биполярные транзисторы имеют ряд достоинств и недостатков. Среди достоинств можно отметить высокую скорость переключения, низкое выходное сопротивление, высокую мощность и температурную стабильность. Среди недостатков - высокое входное сопротивление, большой ток потребления, низкое напряжение насыщения и сложность изготовления.
Биполярные транзисторы применяются в аналоговой технике для усиления сигналов низкой и средней частоты, в силовой электронике для коммутации больших токов и напряжений, в микроэлектронике для создания логических элементов и операционных усилителей.
Полевые транзисторы
Полевой транзистор состоит из тонкого канала полупроводника, на который воздействует электрическое поле изолированного от канала затвора. Затвор может быть расположен посередине канала или с одной из его сторон. Канал подключается к источнику питания, а затвор - к управляющему сигналу. К каналу также подключаются два электрода: исток и сток, через которые проходит ток.
Принцип работы полевого транзистора основан на том, что сопротивление канала зависит от напряжения на затворе. Если напряжение на затворе равно нулю, то канал имеет минимальное сопротивление, и через него может проходить максимальный ток. Если напряжение на затворе ненулевое, то оно создает электрическое поле, которое влияет на ширину канала. В зависимости от типа транзистора, поле может либо сужать канал, либо расширять его. В первом случае сопротивление канала увеличивается, а ток уменьшается. Во втором случае наоборот. Этот тип транзистора называется полевым транзистором с управляемым сопротивлением или JFET (junction field-effect transistor). В JFET канал имеет один тип проводимости: n-типа или p-типа. В n-типе транзистора поле затвора должно быть отрицательным, чтобы сужать канал. В p-типе транзистора поле затвора должно быть положительным, чтобы сужать канал.
В другом типе полевого транзистора, называемом полевым транзистором с изолированным затвором или MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), канал может иметь оба типа проводимости. В этом случае поле затвора может не только сужать, но и создавать канал там, где его не было.
Это свойство позволяет регулировать ток через канал не только изменением сопротивления, но и изменением проводимости. В MOSFET затвор изолирован от канала тонким слоем диэлектрика, обычно оксида металла, откуда и происходит название транзистора. В зависимости от типа канала и направления поля затвора, MOSFET делятся на две основные группы: усилительные и ключевые.
Усилительные MOSFET имеют канал одного типа проводимости: n-типа или p-типа. В n-типе транзистора поле затвора должно быть положительным, чтобы создавать канал. В p-типе транзистора поле затвора должно быть отрицательным, чтобы создавать канал. Усилительные MOSFET работают в трех режимах: закрытом, линейном и насыщенном. В закрытом режиме напряжение на затворе меньше порогового, и канал не образуется. В линейном режиме напряжение на затворе больше порогового, и канал образуется, но его ширина зависит от напряжения на затворе и на стоке. В насыщенном режиме напряжение на затворе достаточно велико, чтобы создать максимально широкий канал, и его ширина не зависит от напряжения на стоке. В усилительных MOSFET ток через канал пропорционален квадрату напряжения на затворе, что позволяет использовать их для усиления сигналов высокой частоты.
Ключевые MOSFET имеют канал обоих типов проводимости: n-типа и p-типа. В n-типе транзистора поле затвора должно быть положительным, чтобы сужать канал. В p-типе транзистора поле затвора должно быть отрицательным, чтобы сужать канал. Ключевые MOSFET работают в двух режимах: открытом и закрытом. В открытом режиме напряжение на затворе больше порогового, и канал имеет минимальное сопротивление. В закрытом режиме напряжение на затворе меньше порогового, и канал имеет максимальное сопротивление. В ключевых MOSFET ток через канал пропорционален напряжению на затворе, что позволяет использовать их для коммутации сигналов низкого напряжения.
Полевые транзисторы имеют ряд достоинств и недостатков. Среди достоинств можно отметить низкое входное сопротивление, малый ток потребления, высокое напряжение насыщения и простоту изготовления. Среди недостатков - низкая скорость переключения, высокое выходное сопротивление, низкая мощность и температурная нестабильность.
Полевые транзисторы применяются в цифровой технике для создания логических элементов и микропроцессоров, в аналоговой технике для усиления сигналов высокой частоты, в силовой электронике для коммутации сигналов высокого напряжения.